介绍粒子物理理论研究

粒子物理学是研究基本粒子及其相互作用的学科。它是狭义相对论和量子力学结合的结果，也叫量子场论。由于涉及相对论性能量高的粒子，所以又称为高能物理。基本粒子是目前人们知道的（即在千亿电子伏特能量尺度以下）构成物质的最基本的单元，比如电子，光子、夸克等。除了万有引力，它们的相互作用有三种：电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。目前人们已经发现了描述这些相互作用的理论：SU(3)xSU(2)xU(1)规范对称场论。它被称为粒子物理学的标准模型，其中SU(3)描述夸克间的强相互作用，叫量子色动力学（QCD）。SU(2)xU(1)是电磁与弱相互作用的统一理论。标准模型的建立是二十世纪物理学的最大成就。它几乎与目前所有的实验，包括欧洲核子中心的LEP实验和美国费米实验室的Tevatron实验，相符合。

为了进一步检验和理解标准模型，随着实验精度的提高，我们需要做尽可能精确的理论计算。计算的困难在于非微扰QCD。QCD的的一个极重要的特点来自于对其量子性质的研究：夸克之间靠得越近，它们的相互作用就越弱。这个特性叫做渐近自由。距离近，也就意味着夸克的能量高。渐近自由也就是说夸克胶子的能量越高，它们的相互作用就越弱。对QCD来说，所谓高能是指能量远大于3亿电子伏特。相互作用一弱，理论家们就可以进行计算了。如同在电磁学里人们用小常数1/137做微扰展开，在高能时我们也用QCD的相互作用常数做微扰论计算。但是对QCD仅会微扰计算是不够的，要证明QCD确实是关于夸克胶子相互作用的正确理论，这个理论必须解释为什么单个的夸克和胶子从来没有被看到过。不仅夸克禁闭, 质子和中子的质量等很实际的问题也都应从QCD直接计算出来。这些问题难倒了所有人，至今没有完全解决。它们涉及的典型能量是3亿电子伏特，此时的夸克胶子的相互作用非常强, 表征其强度的相互作用常数比1还大，理论计算不能用微扰论，我们需要研究、应用QCD的非微扰计算方法。

粒子物理标准模型不会是所谓最终理论。目前的中微子振荡观测意味着中微子有极小的质量；天体物理观测要求宇宙中弥漫着暗物质；费米子（如电子，mu-子，tau-轻子等）质量不同的原因；CP破坏的起源；宇宙中重子数不对称；宇宙暴涨的微观机理；特别地，LEP实验间接表明可能在极高能量标度（10亿亿亿电子伏特），上述三种相互作用是统一的。这些都需要对标准模型进行发展。我们正在深入研究这些问题。

扩展标准模型遇到最主要的问题是电弱对称自发破缺的自然性问题。电弱统一理论引入了标量粒子-- 希格斯粒子。这种粒子的质量约一千亿电子伏特。可是从量子力学的角度我们预期这种标量粒子的质量应与下一个超出标准模型的新物理出现的能标相关，比如在大统一理论，该质量应为10亿亿亿电子伏特，否则理论就不自然了。要让电弱理论自然，在万亿电子伏特的能量下就必须出现新的物理现象。那将是什么样的新物理呢？这是我们最想知道的。以电弱对称破缺的自然性问题为导引，人们对新物理目前主要有三类猜测。第一，希格斯粒子是复合粒子。第二，新的对称性保证了小的希格斯粒子质量：这个对称性就是超对称，它可以和大统一理论有机的结合起来。第三，额外空间维度：把我们生活的四维时空嵌入高维时空。除去以上三种可能性，还有一些属于上述想法的混合。倒底是哪种猜测正确还是都不对是需要实验来回答的。

不久将来的实验将检验和促进我们的理论研究，包括LHC实验、大亚湾中微子实验，B介子工厂实验，北京正负电子对撞机实验等以及相关天体物理-宇宙学观测。正在欧洲核子中心建造的大型强子对撞机LHC实验是为研究电弱对称破缺机制和相关的新物理而设计的。这个研究方向是近几十年粒子物理学的主流。未来实验发现的有可能是与上述猜测完全不同的新物理。无论是什么，通过这些实验，我们对自然的认识将有一个极大的深入。


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